最近几年，工业软件成为产业热议的焦点。然而更多的焦点放在了CAX、仿真类软件。而作为制造工厂里最大资产占比的机器，它们所运行的嵌入式软件，以及开发这些嵌入式应用的平台软件尚未得到重视。本文将以机器开发的软件演进，以及开发平台如何有效的构建机器的应用软件的机制，来阐述自动化开发工业平台软件的价值和意义。

例：印刷的视角看机器的演进

      为清晰说明机器的发展，我们可以选择其中一个行业，如印刷技术来展示机器的控制技术的演进。

      印刷，改变着人类文明的进程，通过印刷，文字所承载的文明得以被传承。经历了雕版/活字，到古登堡的机械传动印刷机、轮转印刷机、卷筒印刷这个铅与火的时代，在20世纪进入了电气传动控制，印刷也快速进入了发展变更期，及至数字印刷技术的快速成长。并从单机发展到数字化运营时代。

图1-机器的控制演进举例

       自20世纪进入电气时代，印刷机开始有了电机驱动机械长轴的传动。到了约90年代，伺服电机被广泛应用，电子轴或称为无轴传动开始逐步取代机械长轴，以提供更高速和灵活的印刷。随着纸张的种类开始扩张，瓦楞纸、塑料薄膜、金属材料也被用于包装材料，印刷开始扩张到软包装、纸板、金属等包装印刷领域。印刷的速度不断突破极限（高速新闻纸可以达到1200m/min速度），而精度也在不断的提高。作为一个传统领域，它在不断的竞争中，对于成本也变得苛刻—这就要求更低的废品率，以及快速切换中的浪费降低…凡此种种，都依赖于控制技术来保障。

       如图2所示，印刷机也需要更多的控制软件支撑这些复杂的变化，以及更高的精度与速度要求。在印刷机里，包括张力控制、色标检测、套色控制、视觉、智能调压、智能学习等，都被应用于各种印刷机组的控制。

图2-印刷关键控制工艺软件

       这种包括印刷机的各种领域的产业机器中运行的软件，往往被忽视—而制造业的关键通常又在这里-设备是工厂最为重要的资产，它的稳定运行决定企业的盈利能力。这些被看不到的软件，决定着机器的竞争力。更高的品质、更高速、更广泛的材料适应性、更为全局的连接。

       而在不同的机器制造业，这种电气传动从机械转为伺服轴控制已经被广泛普及，例如全电动注塑机、全伺服热膜包装、多电机传动纺纱、全伺服轴婴儿纸尿裤…以及材料科技在不同领域的扩展应用，工艺与传动控制变得越发复杂。这同样意味着机器的程序不再是30年前那种简单逻辑、电气传动控制，更多的工艺控制、智能优化需要被开发。

工业软件在其中扮演的角色

       早在1997年，贝加莱的Automation Studio工具平台即投入运行，它的架构极为灵活。即使今天，20多年过去了，它依旧能够不断跟随前沿技术，成为一个全集成自动化工程平台。我们讲制造业里的“工业软件”，Automation Studio就是“软件的软件”，即，用于这些控制系统应用的开发，类似于半导体里的EDA设计软件。

       就如同PC在我们的生活中的应用一样，它同样需要一个开发平台，无论是.Net、还是Java、Docker等，都需要开发工具。而装备与这些软件的开发更多的还在于它是一个跨平台、学科的集成。

图3-全集成开发平台面向所有对象及全流程的任务

    如图3，Automation Studio对于装本制造商而言，它有两个维度的任务处理：

       01 控制对象的演进

      在70-90年代的电气发展时代，PLC虽然已经很好的管理了机器，但那时候的机器还主要是逻辑控制，有些机器会有算法需求，比如注塑、单晶炉、PECVD这类设备。而且，大多数机器也就是纯机械，电气传动也是靠主轴传动的方式，所以，变频器就可以了—能够稳定的提供速度环控制。

      机器之所越来越复杂，在于越来越高的加工需求：

      运动控制：印刷机从机械轴改为电子轴，而注塑机也从液压改为全电动、纺织机械从机械改为多电机传动。连火车都由单一车头牵引改为“动车组”—这些都是一种独立驱动技术。他的目的在于为机器提供更为灵活的生产能力。

      视觉：今天，视觉成本越来越低，他本身可以获得更多的检测；

      机器人：被集成到了机器里，以配合生产的外围捡取、上下料任务，有些是配合机器的加工任务。

      柔性输送：采用电磁控制的长定子直线电机，也被用于后道的组装，以改变机械输送对生产的束缚，让生产获得更大柔性，并在个性化时代获得效率提升。

      安全：随着机器的速度提高，以及连线生产、机器人的集成，它对于人的潜在伤害风险也随之加大，而功能安全成为了机器人身安全的保障。它需要机器安装独立的采集与控制单元，并经由安全测试与认证。

      HMI，以前仅从几个按钮，仪表，这显然无法满足较为复杂的图形界面显示如动画，它会让机器操作更为简单。

      AI集成：在硬件上，控制器的算力得到了进一步提升，而另一方面作为一种软件对象，它为机器提供了更为智能的动态迭代能力，因此，也成为了当前快速发展的领域。它需要与机器的实时控制交互来让机器变得更聪明。

       02 机器开发的流程

      机器开发的过程，包含了很多个任务…

      首先，在工程方面的配置、代码开发与封装方面，需要平台进行支持-在仿真方面，也需要与第三方的机械、工艺进行交互与协助，在测试验证方面，需要针对逻辑、运动、机器人动作等进行联调，以确保符合设计。

      其次，在仿真方面，除了控制系统自身，也需要结合机电传动控制、工艺建模与仿真，并实现机电、工艺与控制的协同仿真。采用虚拟测试验证方式来降低物理测试验证成本，以及并行开发来缩短机器开发周期。

      其三，在机器的调试阶段，针对逻辑、工艺、电气传动轴的程序、参数来进行调试，并能够为工程师反馈机器本身的运行状态及潜在的机械问题—进而有效的提升开发效率。

      最后，在机器运行现场，平台软件可以进行诊断与维护，并提供现场人员的程序升级等任务。通过便捷的支持，实现远程的机器运维工作。

Automation Studio对于机器研发的意义

      Automation Studio设计为机器的开发者提供专业的开发平台支持，它在机器开发的各个阶段提供高效开发集成。

       建模与仿真

    它可以针对硬件、机器层面、生产过程多个级别的仿真，通过FMU/FMI或OPC UA接口，提供与第三方的仿真软件之间的交互与协作。

图4-多个层级的建模与仿真软件接口

    通过这些建模仿真软件间的协作，可以实现机器开发中的各种仿真，以提高开发效率。

       软件与工艺集成

    对于任何的机器而言，其实他们的应用软件具有相同的分类：

图5-Automation Studio的装备应用软件开发平台

    如图5，我们可以看到，机器本身的运行平台，实时操作系统确保机器的高速实时响应。

    而机器的软件，则由不同的应用构成。机器也同样由大量的APP构成：

    mappControl-主要聚焦在工艺控制类，温度、压力、张力等，这些构成了控制的工艺核心算法。

    mappMotion-轴、轴同步、CNC、机器人、液压库等，提供机器的机电传动控制。

    mappVIEW-机器的可视化，基于Web技术，多终端访问，并支持拖拽的画面编排。

    mappService-机器的基本功能、报警、趋势、配方、用户、数据等各种功能；

    mappSafety-提供满足功能安全的安全逻辑设计、测试与验证。

    …

      如果mapp中没有的行业或客户独特的算法，可以基于C/C++等开发，或采用MATLAB/Simulink的为复用的模块开发，也可以被封装为不同的APP，与其它已有模块共同构成机器应用。

连接-为了更高效率的机器

     在任何时候，机器的速度与精度总是矛盾的—唯一可以协调这个矛盾的，就是通信的时间粒度，我们也称为“实时性”。通过更快的采样频率，传输、控制循环达到更为高速、高精度的机器。

      工程连接，必须有足够的开放性，以支持跨供应商的协作-贝加莱提供了针对各个实时网络的网络模块，包括硬件和软件的。

      连接的另一个应用在于“远程”的诊断与维护，这可以通过无所不在的云资源来实现。

图6-连接与服务

      贝加莱不仅提供硬件的通信模块，这些各种通信的配置、软件调用都被封装为可直接使用的模块，通过简单配置，即可与第三方系统实现连接。

AI-让机器更聪明

      AI的相关方法，如机器学习、深度学习，其实很早就已经被控制理论研究所应用于控制。但是，过去由于算力的成本高昂，另一方面，也因为机理下的竞争也“够用”，因此，AI尚未被工业界有效的采用。

      今天，首先是竞争的越来越走向物理的极限，这导致了在剩余的那些改善空间里的提升都是致胜的关键。其次，算力也不再那么昂贵。AI提供了一种对机器的动态持续改善。

      自动化与AI的资源桥接—交互。毕竟一个是周期性任务(Cyclic Task)、一个是事件驱动型任务（Event-driven Task），其运行的平台也通常为RTOS和GPOS，因此需要构建一个连接，让IT和OT可以交互，以发挥各自的优势。

图7-exOS连接AI世界

       在贝加莱，exOS是一个可以将基于Linux平台的算法打包为Automation Studio可调用的模块导入，使得周期性的控制任务，可以为AI的学习系统提供数据。而另一方面，通过学习系统训练的模型，也可以为实时任务提供新的“经过优化的参数”或“判断和推理的规则”。

       通过IT与OT融合，机器会变得更聪明，这就相当于过去的自动化任务是按照既定逻辑来调度红绿灯，而现在，它可以根据检测的流量，来为各个方向的红绿灯配置最合适的时间，以达到整个交通流的效率最高。这里的关键词是“更聪明”—因为，它在持续采样，持续学习，持续分析决策。

打造装备企业软实力

      Automation Studio是一款机器装备开发的工具平台，它能够为不同领域的用户提供高效的机器开发，打造企业自身的软实力，它是机器控制领域的首选工业软件平台。总结它带来的好处以下几点：

    构建长期可用的高质量发展平台

      对于装备企业的长期发展，的确需要一个稳定的，能够支撑其可持续的技术研发平台。这可以确保企业的知识和资源能够被有效的保存。进入一个良性的研发迭代过程，为企业的高质量发展奠定基础。

    创新性开发

      开放的架构，会让装备企业能够通过与机电仿真、控制工艺建模软件间形成创新性的设计。并且，在数字时代，可以与AI的应用资源结合。

    知识复用降低工程成本

      Automation Studio的知识封装，积累了行业数十年的经验—与用户分享，同时，自主开发的功能也可以被复用。这都是降低工程成本的关键因素-也降低了人员流动带来的知识流失风险。

    快速面市

      让机器能够更为快速的迭代，并且升级的机器也节省大量开发时间，这就使得机器制造商，总能走在市场的前沿。